Kemiantekniikka
Niko Pullinen
ORGAANISEN HIILEN PITOISUUDEN VÄHENTÄMINEN LOVIISAN YDINVOIMALAITOSTEN SEKUNDÄÄRIPIIRIN VEDESSÄ
Työn tarkastajat: Professori Mika Mänttäri
Insinööri (Ylempi AMK) Minna Mäkinen
Lappeenrannan – Lahden teknillinen yliopisto LUT School of Engineering Science
Kemiantekniikan koulutusohjelma Niko Pullinen
Orgaanisen hiilen pitoisuuden vähentäminen Loviisan ydinvoimalaitosten sekundääripiirin vedessä
Diplomityö 2020
98 sivua, 38 kuvaa, 14 taulukkoa Tarkastajat: Professori Mika Mänttäri
Insinööri (Ylempi AMK) Minna Mäkinen
Hakusanat: ydinvoima, painevesireaktori, VVER-440, sekundääri piiri, TOC, NPOC, orgaaninen hiili, vedenkäsittely, vedenpuhdistus, humus, ioninvaihto, hartsi, aktiivihiili, GAC, käänteisosmoosi, RO, membraani, flokkaus, flotaatio Tämän työn tarkoituksena oli tutkia mahdollisuuksia orgaanisen hiilen määrän vähentämiseksi Loviisan ydinvoimalaitosten sekundääripiirissä. Lisäksi tutkittiin, onko samalla mahdollisuus parantaa Loviisan voimalaitosten talousveden laatua.
Kirjallisuusosassa perehdytään voimalaitosten tämän hetkisiin vedenpuhdistusmenetelmiin sekundääripiirissä sekä talousveden ja suolapoistetun veden tuottoon. Lisäksi perehdytään hiilen esiintymismuotoihin vedessä ja vedenpuhdistusmenetelmiin, jotka soveltuvat orgaanisen hiilen poistoon vedestä.
Kokeellisessa osiossa tutkittiin, kuinka nykyisiä vedenpuhdistusprosesseja voitaisiin parantaa, analyysien mahdollisia virhetekijöitä ja tutkittiin käänteisosmoosisuodatuksen soveltuvuutta uudeksi vedenpuhdistus metodiksi.
Nykyisestä vedenpuhdistusprosessista tutkittiin suolanpoistolaitoksen tuottaman veden laatua ioninvaihtohartsien elvytyksen jälkeen ja uuden suodattimen lisäystä vedenpuhdistuslaitokselle.
Kolonnisuodatuskokeissa testatuilla esisuodattimilla saatiin poistettua 83,7 – 89,7
% UA-laitoksen syöttöveden orgaanisesta hiilestä. Käänteisosmoosisuodatus- kokeissa saatiin laskettua orgaanisen hiilen pitoisuus vedessä alle 100 µg(TOC)/l.
Lappeenranta – Lahti University of Technology LUT School of Engineering Science
Degree Programme in Chemical Engineering Niko Pullinen
Decrease of organic carbon concentration of water in secondary circuit at Loviisa nuclear power plants
Master’s thesis 2020
98 pages, 38 figures, 14 tables
Examiners: Professor Mika Mänttäri
Master of Engineering Minna Mäkinen
Keywords: nuclear power, pressurized water reactor, VVER-440, secondary circuit, TOC, NPOC, organic carbon, water treatment, water purification, humus, ion exchange, resin, activated carbon, GAC, reverse osmosis, RO, membrane, flocculation, flotation
The aim of this master thesis was to study how to decrease total organic carbon content in secondary circuit of Fortum Loviisa nuclear power plants. Possibility to improve quality of tap water in Loviisa nuclear power plants was also researched.
In the literature review part water treatment methods, which are currently used in purification of secondary circuit are discussed. Processes of making of tap water and desalinated water are also studied. Different forms of carbon in water and water treatment methods for organic carbon removal are reviewed as well.
In experimental part it was investigated how current water treatment processes could be improved, possible faults of analyses and suitability of reverse osmosis for a new purification method. Water quality was examined after regeneration of ion exchange resins at desalination station. The effect of a new filtration stage in the water treatment plant on the water quality was also studied.
Filter materials used in column experiments achieved 83,7 – 89,7 % removal of organic carbon from raw water of desalination station. In reverse osmosis filtration tests concentrations of organic carbon under 100 µg(TOC)/l were achieved.
Tämä diplomityö on tehty Fortumin Loviisan voimalaitokselle. Haluan kiittää Loviisan voimalaitoksen kemian osastoa mielenkiintoisesta diplomityöaiheesta.
Kiitos kuuluu myös koko labran väelle sekä muulle laitoksen henkilöstölle kaikesta avusta, jota heiltä sain tämän työn edistymiseksi. Erityisesti haluan kiittää Minna Mäkistä ja Mika Mänttäriä työn ohjaamisesta.
Tämän työn myötä opintoni lappeen Rannoilla saapuvat päätökseen, enkä voi kieltää, ettenkö tuota takana olevaa aikaa katsoisi kaiholla. Kiitos siitä kuuluu kaikille mahtaville ihmisille ja teekkareille, joihin tuon kahdeksan ja puolen vuoden Via Dolorosan aikana sain tutustua.
Kiitos kuuluu myös perheelleni kaikesta tuesta ymmärryksestä mitä olen heiltä saanut koko opintojeni ajan. Erityisesti haluan osoittaa kiitokset ukilleni, joka on paikoittain ollut enemmän kiinnostunut opintojeni etenemisestä kuin allekirjoittanut.
Loviisassa 4.5.2020 Niko Pullinen
Kirjallinen osio ... 15
1 Johdanto... 16
Työn tausta ... 16
Työn tarkoitus ja tavoitteet ... 18
2 Loviisan ydinvoimalaitoksen vedenkäsittelyprosessit ... 21
Raakavedenkäsittely (UC) ... 22
2.1.1 Reaktiotila ja pikasekoitus ... 25
2.1.2 Flokkaus ... 25
2.1.3 Flotaatioselkeytys ... 25
2.1.4 Hiekkasuodatus ... 26
2.1.5 Muut prosessin osat ... 26
Suolanpoisto (UA) ... 28
2.2.1 Kationinvaihtimet ... 30
2.2.2 Anioninvaihtimet ... 31
2.2.3 Sekavaihtimet ... 31
2.2.4 Laitoslisävesisäiliöt (RV) ... 32
Päälauhteen puhdistuslaitokset (RE) ... 32
2.3.1 LO1 päälauhteen puhdistuslaitos ... 34
2.3.2 LO2 päälauhteen puhdistuslaitos ... 35
Höyrystimien ulospuhallusjärjestelmän (RY) suodatus. ... 36
Orgaaninen hiili ... 39
3.1.1 Haihtuvat orgaaniset yhdisteet ... 40
3.1.2 Haihtumattomat orgaaniset yhdisteet ... 40
Epäorgaaninen hiili ... 41
4 Veden puhdistusmenetelmiä... 42
Koagulaatio ja flokkaus ... 43
Floataatio ... 44
Adsorptio ... 44
4.3.1 Aktiivihiili ... 45
Suodatus ... 46
4.4.1 Käänteisosmoosi ... 46
Ioninvaihto ... 47
4.5.1 Ioninvaihtohartsien rakenne... 49
Kokeellinen osio ... 50
5 Analyysilaitteisto SHIMADZU TOC-L ... 52
ASI-L automaattinen näytteenvaihtaja... 52
TOC-L hiilianalysaattori ... 53
5.2.1 NDIR-detektori ... 57
5.2.2 Kalibrointi ... 59
6 Käänteisosmoosisuodatukset ... 60
Kokeiden suoritus ... 62
6.2.1 Laitteen puhdistus ... 62
6.2.2 Painekokeet ... 63
6.2.3 Konsentrointikoe... 63
7 UA-laitoksen tuottaman veden laatu hartsien elvytysten jälkeen ... 64
8 Kolonnisuodatukset ... 65
Koelaitteisto ... 65
Kokeiden suoritus ... 68
8.2.1 Hartsien esikäsittely ennen kokeiden suoritusta ... 68
8.2.2 Laitoslisäveden aktiivihiilisuodatus ... 70
8.2.3 Raakaveden esisuodatus ... 70
8.2.4 UA-laitoksen simulointi... 70
9 Virhetekijät laitoksella tehtävissä mittauksissa ... 71
Tulokset ... 73
10 Käänteisosmoosisuodatukset ... 74
11 UA-laitoksen elvytys ... 77
12 Kolonnisuodatukset ... 81
Aktiivihiilen kyky poistaa orgaanista hiiltä ... 81
12.1.1 Laitoslisävedelle tehdyt suodatukset ... 81
12.1.2 UA-laitokselle syötettävälle vedelle tehdyt kokeet ... 83
13 Ehdotukset veden orgaanisen hiilen vähentämiseksi ... 87 14 Yhteenveto ... 91 Lähdeluettelo ... 92
Yläindeksi + tai - kertoo atomin tai molekyylin olevan ionimuodossa. Merkkiä edeltävä luku ilmoittaa varauksen määrän.
°dH Saksalainen veden kovuusaste.
A- Anioninvaihtimen liuokseen vaihtama vasta-anioni
Ac Asetaatti
B- Anioninvaihdossa liuoksesta poistettava anioni.
Ca Alkuaine kalsium
C2O4 Oksalaatti
CO2 Hiilidioksidi
Cl Alkuaine kloori
F Alkuaine fluori
Fo Formiaatti
FTU Sameuden yksikkö (Formazin Turbidity Units)
HCO3- Vetykarbonaatti-ioni
HPO4 Vetyfosfaatti
K Alkuaine kalium
KMnO4 Kaliumpermanganaatti
M+ Anioninvaihtimen kationinen matriisimateriaali
Mg Alkuaine magnesium
mval Yksikkö, joka ilmoittaa veteen liuenneen ionimäärän huomioiden ionien valenssin.
NO3 Nitraatti
Pt-Co Platina-koboltti-väriskaala
THM Trihalometaani
SO4 Sulfaatti
SiO2 Piioksidi eli silika
DIC Yleisesti käytetty lyhenne/arvo joka kertoo aineseoksesta liuenneessa muodossa löytyvän tai alle 0,45 µm partikkelikokoa olevan, epäorgaanisissa aineissa esiintyvän hiilen määrän (Dissolved Inorganic Carbon).
DOC Yleisesti käytetty lyhenne/arvo, joka kertoo aineseoksesta liuenneessa muodossa löytyvän tai alle 0,45 µm partikkelikokoa olevan, orgaanisissa aineissa esiintyvän hiilen määrän (Dissolved Organic Carbon).
EBCT Kuvaa fluidin kontaktiaikaa kolonnissa. Lyhenne englanninkielensanoista Empty Bed Contact Time.
GAC Raemainen aktiivihiili. Lyhennen englanninkielen sanoista Granular Activated Carbon.
Laitoslisävesi Laitoslisävesi on varalla olevaa, prosessiin soveltuvaa suolapoistettua vettä, jolla voidaan täydentää primääri- ja sekundääripiiriä.
Modulointi Valon jaksottainen katkominen esimerkiksi pyörivällä sektorikiekolla.
NDIR Detektorityyppi, jossa valoa ei hajoteta spektriksi vaan analysoidaan ennalta määritettyä infrapunavalon taajuuden absorptiota. Lyhenne tulee sanoista Non- Dispersive InfraRed.
NOM Luonnollista alkuperää oleva orgaaninen materiaali kuten humushappo (Natural Organic Matter).
0,45 µm partikkeli kokoa olevan, haihtumattomissa orgaanisissa aineissa esiintyvän hiilen määrän (Non- Purgeable Dissolved Organic Carbon).
NPOC Yleisesti käytetty lyhenne/arvo joka kertoo aineseoksesta löytyvän, haihtumattomissa orgaanisissa aineissa esiintyvän hiilen määrän (Non-Purgeable Organic Carbon).
OBC Orgaanisesti sitoutunut kloridi (Organically Bound Chloride).
OBS Orgaanisesti sitoutunut sulfaatti (Organically Bound Sulfate).
Permeaatti Membraanin läpi suodatettu fluidi.
PIC Yleisesti käytetty lyhenne/arvo joka kertoo
aineseoksesta yli 0,45 µm partikkeli muodossa löytyvän, epäorgaanisissa aineissa esiintyvän hiilen määrän (Particulate Inorganic Carbon).
POC Yleisesti käytetty lyhenne/arvo joka kertoo
aineseoksesta yli 0,45 µm partikkeli muodossa löytyvän, orgaanisissa aineissa esiintyvän hiilen määrän (Particulate Organic Carbon).
PWR Painevesireaktori (Pressurized Water Reactor).
Ydinreaktorityyppi, jossa reaktoriytimen jäähdytysvesi on niin korkeassa paineessa, ettei se höyrysty.
Primääripiiri Voimalaitoksen prosessipiiri, joka on kosketuksissa ydinpolttoaineen kanssa. Primääripiiri jäähdyttää ydinpolttoainetta ja lämmittää sekundääripiirin vettä.
kalvossa on hyvin pieniä reikiä, joista esimerkiksi vain vesi pääsee kulkemaan lävitse.
Radiolyysi Ionisoivan säteilyn aiheuttama aineen kemiallisen koostumuksen muuttuminen.
Sekundääripiiri Voimalaitoksen radioaktiivisuudesta puhdas prosessipiiri, johon kuuluva muun muassa generaattori ja turbiinit. Sekundääripiirin ja primääripiirin välinen lämmönsiirto tapahtuu höyrystimessä.
TC Yleisesti käytetty lyhenne/arvo joka kertoo
aineseoksesta löytyvän hiilen määrän (Total Carbon).
TIC Yleisesti käytetty lyhenne/arvo joka kertoo
aineseoksesta löytyvän, epäorgaanisissa aineissa esiintyvän hiilen määrän (Total Inorganic Carbon).
TOC Yleisesti käytetty lyhenne/arvo joka kertoo
aineseoksesta löytyvän, orgaanisissa aineissa esiintyvän hiilen määrän (Total Organic Carbon).
Van der Waalsin voima Molekyylien välinen heikko voima, joka johtuu molekyylien polarisaatiosta dipoleiksi.
VOC Yleisesti käytetty lyhenne/arvo joka kertoo
aineseoksesta löytyvän, haihtuvissa orgaanisissa aineissa esiintyvän hiilen määrän. Haihtuvien orgaanisten aineiden kiehumispiste on normaali- ilmanpaineessa enintään 250 °C. (Volatile Organic Carbon).
VVER Neuvostoliittolais-venäläinen painevesireaktori (PWR).
Lyhenne tulee venäjän kielen sanoista Vodo-Vodyanoi Energetichesky Reaktor – Vesi-Vesi Energia Reaktori.
10 Numerosarja viittaa kirjainlyhenteen edessä Loviisa 1 ydinvoimalaitokseen
20 Numerosarja viittaa kirjainlyhenteen edessä Loviisa 2 ydinvoimalaitokseen
LO1 Loviisan ydinvoimalaitoksen 1 yksikkö LO2 Loviisan ydinvoimalaitoksen 2 yksikkö
RF Pääsyöttövesipumppujen tiivistevesijärjestelmä RE Päälauhteen puhdistusjärjestelmä
RL Pääsyöttövesijärjestelmä
RM Päälauhdejärjestelmä
RV Laitoslisävesijärjestelmä
RY Höyrystimien ulospuhallusjärjestelmä
RY31/32 Höyrystimien ulospuhallusjärjestelmän suodatinlaitos
SD Turbiinin lauhdutin
SS Generaattorin staattorin jäähdytysjärjestelmä TD50 Puhtaanlauhteen varastosäiliöt
TF Välijäähdytyspiiri
TV Näytteenottojärjestelmä
humusta ioninvaihtoprosessilla.
UC Loviisan ydinvoimalaitoksen vedenkäsittelylaitos, jossa tuotetaan talous-, palo- ja prosessivettä Lappominjärven vedestä.
UJ Palovesijärjestelmä
UK50 Loviisan ydinvoimalaitoksen talousvesiverkko VG Turbiinin välijäähdytyspiiri
UU Apukattilalaitos
KIRJALLINEN OSIO
Tässä osiossa perehdytään diplomityön lähtökohtiin ja syihin työn tarpeellisuudesta. Osiossa tutustutaan Fortumin Loviisan voimalaitosten talous- ja laitoslisäveden tuottoon sekä sekundääripiirin vedenpuhdistusprosesseihin. Lisäksi osiossa tarkastellaan hiilen esiintymismuotoja vesissä sekä eri vedenkäsittelymenetelmiä sen poistamiseen. Työssä suurena haasteena oli löytää kirjallisuutta, joka käsittelisi vedenpuhdistusta näin alhaisilla orgaanisen hiilen pitoisuuksilla. Myös orgaanisen hiilen vaikutuksista ydinvoimalan vesikierrossa on tehty hyvin vähän tutkimusta.
1 JOHDANTO
Tämä työ on tehty Fortum Loviisan voimalaitokselle. Työn aiheena on etsiä ratkaisuja, kuinka vähentää sekundääripiiriin päätyvien orgaanisten hiiliyhdisteiden määrää. Samalla tutkittiin myös mahdollisuutta vaikuttaa voimalaitoksen talousveden laatuun. Voimalaitosten käyttämän veden puhtaus on erittäin merkittävää laitoksen toiminnan kannalta, minkä vuoksi prosessivesien laatua mitataan jatkuvasti. Parantamalla syötettävän prosessiveden laatua voidaan lisätä prosessikomponenttien käyttöikää, sekä saada taloudellisia säästöjä myöhemmin tarvittavien vedenpuhdistustarpeiden vähenemisen kautta.
Työn tausta
Maailmassa oli vuoden 2018 lopussa käytössä 451 ydinvoimalaitosta, joiden nettoteho yhteenlaskettuna oli 396 911 MW. Rakenteilla oli 55 uutta reaktoria, joiden yhteenlaskettu nettoteho oli 56 643 MW. Painevesireaktoreita oli 298 kappaletta ja kiehutusvesireaktoreita 73 kappaletta, mitkä yhteensä muodostavat yli 80 % kaikista reaktoreista. Suomessa näistä toiminnassa olevista reaktoreista oli kaksi painevesireaktoria ja kaksi kiehutusvesireaktoria, näiden yhteenlaskettu nettoteho oli 2784 MW. Rakenteilla oli yksi painevesireaktori, jonka nettotehoksi on suunniteltu 1600 MW. (International Atomic Energy Agency, 2019b)
Suomen arvioitu sähköenergian kokonaiskulutus oli vuonna 2018 ennakkotietoihin perustuen 87 412 GWh, josta Suomessa tuotettiin 67 462 GWh. Ydinvoimalla sähköä Suomessa tuotettiin 21 889 GWh. (International Atomic Energy Agency, 2019a) (Tilastokeskus, 2019a) (Tilastokeskus, 2019b)
Ydinvoima on vesivoiman rinnalla merkittävin hiilidioksidivapaa energiantuotantomuoto ja arvion mukaan ydinvoiman käyttö maailmalla säästää 2,4 – 2,8 miljardia tonnia CO2 päästöjä vuodessa verrattuna siihen, että ydinvoima korvattaisiin fossiilisilla polttoaineilla. (Prevented Mortality and Greenhouse Gas Emissions from Historical and Projected Nuclear Power, 2013).
Ydinvoimalaitos tuottaa sähköä höyryvoimaprosessilla. Ensin polttoaineesta vapautuva energia muutetaan erinäisillä työvaiheilla mekaaniseksi liike-energiaksi, joka sitten muunnetaan sähköenergiaksi (A.N.T. International).
Höyryvoimalaitoksissa prosessissa käytetään mekaanisesti ja kemiallisesti puhdistettua vettä. Veden laadulla on hyvin merkittävä vaikutus prosessin ja voimalaitoksen toimintaan. Mikäli veden laatu on liian huono, voi se aiheuttaa monia ongelmia vesi- sekä vesi–höyrykierroissa. Veden laatua heikentävät erilaiset orgaaniset ja epäorgaaniset epäpuhtaudet, kuten kloridiyhdisteet, mitkä voivat aiheuttaa muun muassa saostumia ja korroosiota metallipinnoille sekä häiritä erilaisia mittauksia (International Atomic Energy Agency, 2011). Näiden seurausten välttämiseksi voimalaitoksen prosessiveden laadusta huolehditaan monilla erinäisillä vedenkäsittelyprosesseilla ja jatkuvalla laaduntarkkailulla.
Loviisan molemmat voimalaitosyksiköt ovat neuvostoliittolais-venäläisiä VVER- 440 tyypin painevesireaktoreita. Yksinkertaistettu kuva painevesireaktorilaitosten toiminnasta on esitetty kuvassa 1.
Kuva 1 Painevesireaktorilaitoksen (PWR) toimintaperiaate. Primääripiiri tarkoittaa ydinpolttoaineen kanssa kontaktissa olevaa prosessipiiriä. Sekundääripiiri tarkoittaa radioaktiivisuudesta puhdasta prosessipiiriä.
Työn tarkoitus ja tavoitteet
Tämän työn tarkoitus on kartoittaa mahdollisuuksia Fortumin Loviisan ydinvoimalaitosten sekundääripiirissä esiintyvien orgaanisten epäpuhtauksien vähentämiseksi. Orgaaniset aineet voivat hajota prosessiolosuhteissa orgaanisiksi hapoiksi tai vapauttaa niihin sitoutuneita haitallisia komponentteja kuten klorideja, mitkä ovat haitallisia prosessille aiheuttaen esimerkiksi korroosiota prosessikomponenteissa. Laskemalla kokonaishiilipitoisuutta (TOC) sekundääriprosessivedestä voidaan pidentää sekundääripiirin prosessikomponenttien, kuten höyrystimien lämmönvaihdinputkien sekä turbiinin lapojen, käyttöikää. Lisäksi tutkitaan mahdollisuutta vaikuttaa Loviisan voimalaitoksella tuotettavan talousveden laatuun. Kuvassa 2 on esitettynä yksinkertaistettu kuva sekundääripiirin toiminnasta ja komponenteista Loviisan ydinvoimalaitoksilla.
Kuva 2 Yksinkertaistettu kuva Loviisan ydinvoimalaitosten sekundääripiireistä. (Kokko, 2005)
Laitoksen tavoite on vähentää laitoslisäveden orgaanisen hiilen pitoisuus alle 100 µg/l. Laitoslisävettä käytetään prosessin vesihäviöiden korvaamiseen. Kuvassa 3 on esitettynä tuotetun laitoslisäveden orgaanisen hiilen pitoisuus tuotantolinjan jälkeen ja sen varastointisäiliöistä vuoden ajanjaksolta. Kuvassa 4 on esitettynä sekundääripiirin prosessiveden orgaanisen hiilen pitoisuuksia eri vaiheissa sekundääripiiriä. Määritykset on tehty NPOC-menetelmällä, josta on kerrottu tarkemmin kappaleessa 5.
Kuva 3 Laitoslisäveden NPOC pitoisuus aikavälillä 1.10.2018 – 1.10.2019.
Orgaanisen hiilen määrää laitoslisävedestä mitataan suolanpoistolaitokselta kahden viikon välein tai tarvittaessa ja laitoslisävesisäiliöistä kuukauden välein. Laitoslisäveden NPOC- pitoisuus on pääasiassa 100 – 150 µg/l välillä.
0 50 100 150 200 250 300
10.2018 11.2018 12.2018 01.2019 02.2019 03.2019 04.2019 05.2019 06.2019 07.2019 08.2019 09.2019 10.2019
NPOC [µg/l]
Aika
(UA20N03) Vesi sekavaihtimen jälkeen
(UA30N03) Vesi sekavaihtimen jälkeen
(RV) Laitoslisävesi säiliössä RV01B01 (RV) Laitoslisävesi
säiliössä RV02B01 (RV) Laitoslisävesi
säiliössä RV03B01 (RV) Laitoslisävesi
säiliössä RV04B01
Kuva 4 LO2 laitoksen sekundääripiirin orgaanisen hiilen pitoisuuskartoitus eri vaiheissa prosessia. Piirissä orgaanisesta hiilestä hajoaa iso osa, sillä pitoisuudet ovat huomattavasti pienempiä kuin piiriin syötettävän laitoslisäveden orgaanisen hiilen pitoisuus.
Työssä tutkittiin kokeellisesti käänteisosmoosisuodatuksen sekä eri esisuodatinmateriaalien käyttöä osana laitoslisäveden tuotantoprosessia orgaanisen hiilen vähentämiseksi. Lisäksi tutkittiin mahdollisia parannuskohteita nykyisessä laitoslisäveden tuotannossa. Näiden kokeiden lisäksi tutkittiin mahdollisia virhetekijöitä, jotka liittyvät orgaanisen hiilen pitoisuuden määrittämiseen laitoksen prosessivesistä.
0 10 20 30 40 50 60
TV20 Ennen RE TV21 Jälkeen RE TV23 Ennen RE TV24 Jälkeen RE TV22 Ennen höyrystintä TV25 Ennen höyrystintä RY11 Jälkeen höyrystimen RY12 Jälkeen höyrystimen RY13 Jälkeen höyrystimen RY14 Jälkeen höyrystimen RY15 Jälkeen höyrystimen RY16 Jälkeen höyrystimen TV57 Jälkeen RY-suodatuksen TV59 Jälkeen RY-suodatuksen
NPOC [µg/l]
2 LOVIISAN YDINVOIMALAITOKSEN VEDENKÄSITTELYPROSESSIT
Loviisan ydinvoimalaitoksen vedenkäsittelyprosessi koostuu monesta erillisestä vedenkäsittelylaitoksesta ja prosessista, jotka on esitetty kuvassa 5. Vesilaitos (UC- laitos) ja suolanpoistolaitos (UA-laitos) tuottavat laitokselle uutta puhdasta vettä käyttöön, kun taas muut järjestelmät puhdistavat piireissä jo olevaa vettä epäpuhtauksista.
UC-laitoksella Lappominjärvestä peräisin olevasta raakavedestä valmistetaan talous- ja palovettä sekä prosessivettä UA-laitoksen käsiteltäväksi. UA-laitoksella vedestä poistetaan suolat sekä humusta UC-laitoksen tuottamasta vedestä, jotta prosessivesi täyttäisi sille määritetyt vaatimukset. Lisäksi sekundääripiirin vettä puhdistetaan päälauhteenpuhdistusjärjestelmällä (RE) sekä höyrystimien ulospuhallusjärjestelmän (RY) puhdistuksella. Myös primääripiirin vettä puhdistetaan monilla eri puhdistusprosesseilla, mutta tässä työssä niitä ei käsitellä.
Kuva 5 Loviisan ydinvoimalaitosten vedenpuhdistus- ja käsittelyjärjestelmät. (Blomster, 2017)
Raakavedenkäsittely (UC)
Tässä luvussa käsitellään vesilaitoksen (UC-laitos) tärkeimmät osat komponentteineen ja parametreineen. Loviisan voimalaitokselle tuotetaan vesi eri käyttötarkoituksiin voimalaitoksen omalla vedenkäsittelylaitoksella. Vettä vesilaitos tuottaa prosessivedeksi noin 122 500 m3 ja talousvedeksi noin 28 000 m3 vuosittain. Nämä arvot on laskettu vuosien 2014 – 2018 tietojen keskiarvolla, jotka on esitetty taulukossa I. Palovedeksi käytettävän veden määrää ei ole tilastoitu, mutta se voidaan olettaa häviävän pieneksi.
Taulukko I UC-laitoksen tuottaman talousveden ja prosessivedeksi menevän veden vuosittaiset määrät vuosilta 2014 – 2018.
Vuosi Tuotetun talousveden määrä
[m3] Suolanpoistolaitokselle otettu vesimäärä [m3]
2014 24 799 123 205
2015 23 922 129 321
2016 31 960 119 550
2017 21 252 138 533
2018 37 874 101 996
Keskiarvo 27 961 122 521
Vesilaitoksen virtauskaavio on esitetty kuvassa 6. Automaattisesti toimiva raakavesipumppaamo sijaitsee Lappominjärven rannalla, josta raakavesi johdetaan vesilaitokselle raakavesisäiliöön UC00B01. Samalla lisätään veden puhdistamiseen tarvittavat kemikaalit. UC00B01-säiliön pinnanmittaukset ohjaavat raakavesipumppaamon toimintaa, sekä osittain vesilaitoksen toimintaa.
Raakaveden tarve on enimmillään 140 m3/h. Säiliön tilavuus on 400 m3. (Turunen;ym., 2017) Raakavesisäiliöstä vesi siirtyy reaktio- ja pikasekoitustilaan (UC10B01), josta se jakautuu kahteen flokkausaltaaseen. Flokkausaltaat koostuvat kahdesta sekoitustilasta (UC10B02/B04 ja UC10B03/B05). Flokkausaltaiden yhteydessä on flotaatioselkeytys (UC10B06 ja B07), joihin syötetään dispersiovettä flotaation parantamiseksi. Flotaatioselkeytetty vesi siirtyy molemmista altaista välialkalointiin (UC10B08), josta se jälleen jakautuu kahteen hiekkasuodatusosaan (UC10N01 ja N02). Hiekkasuodatuksen jälkeen suodatettu vesi siirtyy jakoaltaiseen. Jakoaltaan UC10B11 vesi ohjataan suoraan kallioaltaille UA10B01 UA10B02 palo- ja prosessivesikäyttöön. Jakoaltaan UC10B09 vesi desinfioidaan
ja pH säädetään talousvesikäyttöön, jonka jälkeen se varastoidaan säiliöissä UK50B01 ja B02. (Turunen;ym., 2017) (Fortum Power and Heat Oy, 2017b) Vedenkäsittelylaitoksen nettokapasiteetti on 136 m3/h ja päivittäinen tuotto on 400 – 600 m3 talous- ja prosessivettä yhteensä (Turunen, 2017). Tuotetun talousveden laatuvaatimukset on esitetty taulukossa II ja suolanpoistolaitokselle menevän veden laatuvaatimukset ovat esitettynä taulukossa III.
Kuva 6 UC Vesilaitoksen yksinkertaistettu virtauskaavio. (Fortum Power and Heat Oy, 2017a)
Taulukko II UC Vesilaitoksen tuottaman talousveden ohjeelliset laatuvaatimukset (Turunen;ym., 2017).
Taulukko III Suolanpoistolaitokselle (UA) ohjattavan veden laatuvaatimukset (Turunen, 2007).
Suolanpoistoon syötettävän veden laatu
Ca2+ [mval/l] 0,350 – 0,480
Mg2+ [mval/l] 0,200 – 0,350
Na+ [mval/l] 0,800 – 1,200
K+ [mval/l] 0,150 – 0,250
Kationit yhteensä [mval/l] 1,77
HCO3 [mval/l] 0,400 – 0,700
CO2 [mval/l] 0,100 – 0,350
Cl- [mval/l] 0,500 – 0,800
SO42- [mval/l] 0,300 – 0,420
Anionit yhteensä [mval/l] 1,912
SiO2 [mg/l] 5,0 – 140,0
Lämpötila [°C] 15 – 27
pH [-] 5,6 – 6,2
KMnO4 kulutus [mg/l] 10 – 14
Väri [Pt-Co] < 5
Sameus [FTU] < 0,015
Kiintoaine [mg/l] < 1,0
Fe tot [mg/l] < 0,10
Sähkönjohtavuus [µS/cm] 120 – 190
Alumiini [mg/l] 0,05 – 0,15
Talous- ja juomaveden ohjearvot
Sameus [FTU] < 0,5
Väri [Pt-Co] < 6,0
Sähkönjohtavuus [µS/cm] < 150
pH [-] 7,5 – 8,5
Kloorijäännös [mg/l] 0,05 – 0,1
THM [µg/l] < 10
KMnO4 kulutus [mg/l] < 11
Kovuus [°dH] < 2
Alkaliteetti [mmol/l] 2,0
Alumiini [mg/l] < 0,1
Rauta [mg/l] < 0,05
Mangaani [mg/l] < 0,02
Kolibakteerit [kpl/100ml] 0
Fekaaliset kolibakteerit [kpl/100ml] 0
Kokonais bakteeriluku [kpl/ml] 10
2.1.1 Reaktiotila ja pikasekoitus
Tarvittavien kemikaalien lisäys ja sekoitus veteen tehdään UC10B01-reaktiotilaan ja pikasekoitusaltaaseen tulevaan vesivirtaan. Säiliö on kooltaan 6 m3. Raakaveden epäpuhtauksien ja saostuskemikaalien yhteinen saostuminen vaatii tietyn pH- alueen. Veden pH säädetään 10 % natriumhydroksidilla, joka pumpataan UC14B01-säiliöstä. Saostuskemikaalina käytetään 18 % polyalumiinikloridiliuosta, joka pumpataan UC11B01/B02-säiliöistä. Lämpimien vesien aikaan käytetään myös 10 % natriumhypokloriittiliuosta veden desinfiointiin, millä estetään levän kasvu flokkaussäiliössä.
Natriumhypokloriittiliuos pumpataan UC15B03-säiliöstä. Reaktiotilassa ja pikasekoitusosassa on potkurisekoitin UC10D01, jolla edistetään kemikaalien sekoittumista raakaveteen. (Turunen;ym., 2017)
2.1.2 Flokkaus
Flokkaantuminen alkaa jo reaktio- ja pikasekoitustilassa, jonka jälkeen vesi virtaa flokkausvaiheen säiliöihin UC10B02/B04 ja UC10B03/B05. Flokkaussäiliöiden tilavuus on yhdessä sarjassa 24,5 m3 eli yhteensä 49 m3 ja viipymä on 21 min.
Sarjan molemmat flokkausaltaat ovat varustettu moottoroiduilla lapahämmentimillä UC10D02/D03 ja UC10D05/D06. Ensimmäisen vaiheen hämmennin pyörii nopeammin kuin toisen vaiheen hämmennin. Tämä hidastuva sekoitus edesauttaa flokin muodostumista. (Turunen;ym., 2017)
2.1.3 Flotaatioselkeytys
Flokkausvaiheen mekaanisen hämmennyksen jälkeen vesi siirtyy flotaatioselkeytysosiin UC10B06 ja UC10B07, joiden pinta-alat ovat 13,5 m2 eli yhteensä 27 m2. Flotaatioselkeytyksessä vedelle suoritetaan hydraulinen hämmennys dispersiovedellä. Disperisovesivaiheessa paineistettua vesi-ilmaseosta syötetään puhdistettavan veden joukkoon, jolloin dispersioveden ilma vapautuu mikrokuplina, jotka kiinnittyvät flokkeihin nostaen ne pintaan.
Dispersiovesimäärän kapasiteetti on 12 m3/h ja paine 4,5 – 6,0 bar. Pintaan nousseet flokit muodostavat lietepinnan selkeytysosaan, joka kuoritaan mekaanisesti lietteenkeruusäiliöön, josta se pumpataan jätevedenpuhdistamolle jatkokäsittelyyn.
Pintakuorman kapasiteetti on 5,18 m/h. Selkeytysosassa vesi on kirkkaimmillaan pohjalla, josta se johdetaan välialkalointiin. (Turunen;ym., 2017)
2.1.4 Hiekkasuodatus
Välialkaloinnin jälkeen vesi johdetaan hiekkasuodatukseen UC10N01/N02.
Hiekkasuodatuksessa virtaus hiekkakerroksen läpi on painovoiman ajama.
Hiekkasuodatuksen tarkoitus on poistaa loput suuremmat epäpuhtaudet.
Suodatuspinta-ala on molemmissa hiekkasuodattimissa 9,6 m2 eli yhteensä 19,2 m2 ja suodatusnopeus on 7,92 m/h. Hiekkasuodatuksen jälkeen vesi on valmista käytettäväksi palovedeksi ja jatkopuhdistettavaksi suolanpoistolaitoksella prosessivedeksi. Talousvedeksi menevä osa pH säädetään natriumhydroksidiliuoksella ja vesi desinfioidaan natriumhypokloriittiliuoksella.
(Turunen;ym., 2017)
2.1.5 Muut prosessin osat
Puhdistusprosessiin liittyy monia muitakin osia ja vaiheita yllä esitettyjen vaiheiden lisäksi. Tässä kappaleessa on esitettynä puhdistuksen kannalta tärkeimmät osat, joita ei ylempänä ole esitetty.
Kemikaalisäiliöt
Vesilaitoksella käytettäviä kemikaaleja ovat kaliumpermanganaatti KMnO4, natriumhydroksidi NaOH, natriumhypokloriitti NaClO sekä polyalumiinikloridi.
Kaliumpermanganaatti valmistetaan kaliumpermanganaattijauheesta sekoittamalla se veteen 1:20 suhteella, jolloin saadaan 20 % kaliumpermanganaattiliuosta. Liuos varastoidaan UC12B01 varastosäiliössä, jossa on potkurisekoitin UC12D03 liuoksen valmistusta varten. Liuosta valmistettaessa annostellaan kaliumpermanganaatti prosessiin välivarastosäiliöstä UC12B02. Liuoksen annostelu prosessiin tapahtuu pumpuilla UC12D01/D02.
Natriumhydroksidi vastaanotetaan laitokselle 50 %:n vahvuisena liuoksena ja varastoidaan säiliöön UC14B03. pH:n säädössä käytetään 10 % natriumhydroksidiliuosta, joka valmistetaan ja varastoidaan säiliössä UC14B01.
UC14B01 säiliö on varustettu potkurisekoittimella UC14D05. Uutta liuosta
valmistettaessa natriumhydroksidiliuos otetaan prosessiin varastosäiliöstä UC14B02. Liuoksen annostelu prosessiin tapahtuu pumpuilla UC14D01/D02/D03.
Natriumhypokloriitti tulee laitokselle valmiiksi 10 %:n vahvuisena liuoksena, jollaisena sitä käytetään veden desinfiointiin. Natriumhypokloriitti säilytetään siirtokontissa UC15B03, josta se annostellaan prosessiin pumpuilla UC15D01/D02/D03.
Polyalumiinikloridi tulee laitokselle valmiiksi 18 %:n vahvuisena liuoksena, jollaisena sitä käytetään saostukseen. Liuos varastoidaan säiliöihin UC11B01/B02.
Polyalumiinikloridi annostellaan prosessiin kalvopumpuilla UC11D01/D02.
(Turunen;ym., 2017) Dispersiovesi
Dispersiovesijärjestelmä koostuu dispersiovesisäiliöstä UC17B02, dispersiovesipumpuista UC17D03/D04, paineilmakompressoreista UC17D01/D02, paineilmasäiliöstä UC17B01 sekä dispersioveden jakotukeista suuttimineen UC10S34/S36. Vesi dispersioveden valmistukseen pumpataan talousvesialtaasta UK50B02 pumpuilla UC17D03/D04 säiliön UC17B02 yläosaan.
Säiliön yläosassa veteen liotetaan öljytöntä paineilmaa paineilmakompressoreilla UC17D01/D02. Liotusta on tehostettu täyttämällä yläosa muovirenkailla, jolloin saadaan lisättyä kosketuspinta-alaa. Flotaatioselkeytykseen dispersiovesi otetaan säiliön alaosasta. (Turunen;ym., 2017)
Välialkalointi
Välialkaloinnin tarkoituksena on säätää natriumhydroksidin avulla käsiteltävän veden pH sopivaksi hiekkasuodatusta varten. Veden pH:ta mitataan on-line mittauksella (UC10A0004), arvon tulee olla välillä 6,5 – 9,0. Välialkaloinnissa on myös mahdollista poistaa mangaani käsiteltävästä vedestä kaliumpermanganaatin avulla. Mangaaninpoisto vaatii pH alueekseen 8 – 10 toimiakseen tehokkaasti, minkä vuoksi myös natriumhydroksidin lisäystä vaaditaan normaaliin tilanteeseen verrattuna. Mangaanin poistotarvetta ilmenee kuitenkin hyvin harvoin.
(Turunen;ym., 2017)
Jakoallas, kallioaltaat sekä talousvesialtaat
Jakoallas koostuu kolmesta osasta. Ensimmäisenä on tila, josta vesi jaetaan joko palo- ja prosessivesikäyttöön altaaseen UC10B11 tai altaaseen UC10B09 talousvesikäyttöön. Palovesi sekä prosessivesi siirtyvät ilman enempää käsittelyä kallioaltaisiin UA10B01 ja UA10B02, jotka ovat molemmat tilavuudeltaan 1500 m3. Kallioaltaasta UA10B02 prosessivesi siirtyy lisäpuhdistusta varten suolanpoistolaitokselle UA, jonka toimintaa käsitellään kappaleessa 2.2 tarkemmin.
Tarvittaessa myös palovesialtaan UA10B01 vettä voidaan johtaa suolanpoistolaitokselle prosessiveden valmistamiseksi. Talousvedeksi käytettävän veden pH säädetään natriumhydroksidilla ja desinfioidaan natriumhypokloriitilla jakoaltaassa ennen talousvesialtaisiin UK50B01 ja UK50B02 siirtämistä.
Talousvesiallas UK50B01 on kooltaan 140m3 ja UK50B02 on kooltaan 160 m3. Molemmista altaista vesi johdetaan UK50 talousvesiverkkoon, lisäksi altaasta UK50B02 otetaan sivuvirta dispersiovesisäiliöön dispersioveden valmistamiseksi.
(Turunen;ym., 2017) Suolanpoisto (UA)
Suolanpoistolaitoksella (UA-laitos) vedenkäsittelylaitoksen puhdistamasta vedestä poistetaan nimensä mukaisesti vedessä olevat suolat, joiden lisäksi myös jäljelle jäänyt humus poistetaan, jotta saavutetaan prosessivedelle asetetut laatuvaatimukset. Tavoitteena on tuottaa mahdollisimman puhdasta vettä. Vedessä olevat epäpuhtaudet heikentävät prosessin tehokkuutta, vesikemian mittausten tarkkuutta sekä lyhentävät prosessikomponenttien käyttöikää. Tuotetun veden laatuvaatimukset on esitetty taulukossa IV.
Taulukko IV Suolanpoistolaitoksella tuotetun veden laatuvaatimukset.
(Turunen;ym., 2014)
Suolanpoistolaitoksen veden laatu anioninvaihtimien
jälkeen
Suolanpoistolaitoksen veden laatu sekaioninvaihtimien
jälkeen Keskimäärin Jakson
lopussa Keskimäärin Jakson lopussa Sähkönjohtavuus
(+25 °C) [µS/cm] < 2,0 < 2,5 < 0,1 – SiO2 [mg/kg] < 0,03 < 0,05 < 0,01 < 0,01
Na [mg/kg] < 0,04 < 0,08 < 0,01 –
Suolanpoistolaitoksen virtauskaavio on esitetty kuvassa 7. Suolanpoistolaitos koostuu kahdesta rinnakkaisesta linjasta. Linja muodostuu sarjasta ja sarjan jälkeisestä sekavaihtimesta (UA20/30N003). Sarja koostuu kationinvaihtimesta (UA20/30N001) ja anioninvaihtimesta (UA20/30N002), joka sisältää heikon ja vahvan anioninvaihtimen. Näiden jälkeen vesi varastoidaan laitoslisävesisäiliöissä (RV01/02/03/04B001). Vesi suolanpoistolaitokselle tulee pääasiassa kallioaltaalta UA10B02, mutta vettä on mahdollista johtaa myös kallioaltaalta UA10B01 tarpeen vaatiessa. Kummankin linjan maksimivirtaama on 51,1 m3/h. Sarjan ajojakson kapasiteetti 1 000 m3 ja sekaioninvaihtimen kapasiteetti on 15 300 m3. Ioninvaihtohartsit elvytetään ajojakson jälkeen, eikä uutta hartsia lisätä säiliöihin.
Molempia linjoja käytetään samanaikaisesti vain poikkeustapauksissa, jolloin virtauskapasiteetti on yhteensä noin 75 m3/h. (Turunen;ym., 2014) Vettä suolanpoistolaitoksella käsitellään keskimäärin vuoden aikana noin 122 500 m3. Vuosien 2014 – 2018 aikana suolanpoistolaitokselle ohjatun veden määrät on esitetty kappaleessa 2.1 taulukossa I, erot vuosien välillä selittyvät vuosittaisten huoltoseisokkien pituudella sekä tehdyillä muutostöillä. Elvytyksen yhteydessä käytettävät vesimäärät on esitetty taulukossa V.
Taulukko V Ioninvaihtohartsien elvytyksessä käytettävät vesimäärät eri vaiheissa. Sekaioninvaihtimen loppu- ja vastavirtahuuhtelu tehdään samaan aikaan molemmille ioninvaihtohartseille, siksi niille on esitetty yhdet yhteiset määrät.
Säiliö
Laimennus- vesimäärä
[m3]
Syrjäytys- vesimäärä
[m3]
Loppuhuuhteluveden määrä [m3]
Vastavirtahuuhtelu- veden määrä [m3] Kationin
vaihdin 5,4 3,5 0,0 -
Anionin
vaihdin 3,4 8,0 2,5 -
Sekaionin- vaihtimen kationiosa
2,4 3,0
15,0 5,0
Sekaionin- vaihtimen anioniosa
1,8 3,0
Kuva 7 Täyssuolanpoistolaitoksen yksinkertaistettu virtauskaavio. (Fortum Power and Heat Oy, 2018)
2.2.1 Kationinvaihtimet
Kationinvaihtimien tarkoitus on vaihtaa vedestä löytyvät kationit eli positiivisesti varautuneet ionit vetyioneiksi. Kationinvaihtimet ovat painesäiliöitä, jotka on valmistettu haponkestävästä teräksestä. Kationinvaihdinsäiliöt UA20N001 ja UA30N001 ovat molemmat tilavuudeltaan 3,3 m3. (Turunen;ym., 2014) Kationinvaihtohartsina on tällä hetkellä käytössä Amberjet SAC 1300 H hartsia, jonka funktionaalinen ryhmä sulfonihappo, on sidottu divinyylibentseeni–styreeni kopolymeeri geelimatriisiin (Rohm and Haas Company, 2008a). Kopolymeeriin lisätyt sulfonyylihydroksidimolekyylit mahdollistavat kationinvaihtohartsin ioninvaihto-ominaisuudet. Säiliöissä on kationinvaihtohartsivaipan ylä- ja
alapäässä suutinpohjat, jotka on varustettu polypropeenista valmistetuilla suuttimilla. Säiliöiden päädyissä on putkiyhteet suutinpohjien ulkopuolella veden ja elvytyskemikaalien syöttöä ja poistoa varten. Näissä putkiyhteissä on myös hartsisiivilät, jotka estävät hartsia kulkeutumasta pois säiliöstä, mikäli välipohjan suutin rikkoutuu. Hartsisiivilä toimii myös vedenjakolaitteena hajottamalla veden virtauksen koko säiliön pinta-alalle. (Turunen;ym., 2014)
2.2.2 Anioninvaihtimet
Anioninvaihtimen tarkoitus on vaihtaa vedestä löytyvät anionit eli negatiivisesti varautuneet ionit, hydroksyyli-ioneiksi. Anioninvaihtimet ovat painesäiliöitä, jotka on valmistettu hapon kestävästä teräksestä. Anioninvaihdinsäiliöt UA20N002 ja UA30N002 ovat molemmat tilavuudeltaan 4,5 m3. (Turunen;ym., 2014) Heikkona anioninvaihtohartsina on tällä hetkellä käytössä Amberlite IRA 96 SB hartsia, jonka funktionaalinen ryhmä tertiäärinen amiini, on sidottu divinyylibentseeni–styreeni kopolymeeri matriisiin (Rohm and Haas Company, 2008b). Vahvana anioninvaihtohartsina tällä hetkellä on käytössä Amberjet 4300 Cl hartsia, jonka funktionaalinen ryhmä kvaternaarinen amiini, on sidottu divinyylibentseeni–
styreeni kopolymeeri geelimatriisiin (The Dow Chemical Company, 2012).
Kopolymeeriin lisätyt amiiniryhmät mahdollistavat anioninvaihtohartsien ioninvaihto-ominaisuudet. Alaosassa on kerros vahvaa anionihartsia ja sen päällä on kerros heikkoa anionihartsia. Myös anioninvaihdin säiliöissä on suutinpohjat, jotka on varustettu polypropeenista valmistetuilla suuttimilla. Säiliöiden päädyissä on myös putkiyhteet suutinpohjien ulkopuolella veden ja elvytyskemikaalien syöttöä ja poistoa varten, kuten kationinvaihdinsäiliöissäkin. Näissäkin putkiyhteissä on hartsisiivilät, jotka estävät hartsia kulkeutumasta pois säiliöstä, mikäli välipohjan suutin rikkoutuu. Hartsisiivilä toimii myös vedenjakolaitteena hajottamalla veden virtauksen koko säiliön pinta-alalle. (Turunen;ym., 2014) 2.2.3 Sekavaihtimet
Sekaioninvaihtimien tarkoitus on poistaa kationin- ja anioninvaihtimilta läpi päässeet ionit. Sekavaihtimet ovat painesäiliöitä, jotka on valmistettu hapon kestävästä teräksestä. Kationinvaihdinsäiliöt UA20N003 ja UA30N003 ovat molemmat tilavuudeltaan 3,9 m3. Säiliöissä on ioninvaihtohartsivaippojen alaosissa
suutinpohjat, jotka on varustettu polypropeenista valmistetuilla suuttimilla. Tällä hetkellä käytön aikana hartsina on seoksena kationin- ja anioninvaihtohartsia Amberjet 1300 H ja Amberjet 4300 Cl. Elvytyksen aikana hartsit erotellaan toisistaan. Säiliöiden päädyissä on samalaiset putkiyhteet kuin edellä mainituissa ioninvaihtosäiliöissä. Pääasiassa sekavaihtimiin vesi johdetaan saman linjan anioninvaihtimesta, mutta ristikäyttö on myös mahdollista. (Turunen;ym., 2014) 2.2.4 Laitoslisävesisäiliöt (RV)
Täyssuolanpoistolaitoksen tuottama vesi säiliöidään RV-säiliöihin. Säiliöt RV01B001 ja RV03B001 toimivat LO1:n lisävesivarastoina. Säiliöt RV02B001 ja RV04B001 toimivat LO2:n lisävesivarastona. LO1 tarkoittaa Loviisan voimalaitosta 1 ja LO2 Loviisan voimalaitosta 2. Säiliöistä vesi jakautuu laitoksille moniin tarpeisiin. Laitoslisävesijärjestelmä huolehtii normaalien vesihäviöiden korvauksesta, vedenvaihtojen edellyttämästä lisäveden syötöstä sekä hätätilanteissa sekundääripiirin lisäveden syötöstä. Normaalitilanteissa vettä johdetaan muun muassa turbiinien lauhduttimille (SD), turbiinivälijäähdytyspiiriin (VG), generaattorin staattorin jäähdytykselle (SS) sekä puhtaan lauhteen varastosäiliöihin (TD50). Tarvittaessa vettä syötetään myös syöttövesisäiliöihin (RL), apukattilalaitokselle (UU) ja pääsyöttövesipumppujen tiivistevedeksi (RF).
Päälauhteen puhdistuslaitokset (RE)
Lauhteenpuhdistusjärjestelmän tarkoitus on puhdistaa lauhduttimilta tuleva RM lauhdevesi mekaanisista ja ionimuotoisista epäpuhtauksista. Näiden epäpuhtauksien lähteitä ovat muun muassa laitoslisäveden (RV) epäpuhtaudet, pienet lauhdutinvuodot sekä itse piiristä irtoavat korroosiotuotteet. Molempien laitosyksiköiden (LO1 ja LO2) RE-laitokset ovat varustettu ohituslinjoilla siten, että osa tai koko järjestelmä voidaan ohittaa tarvittaessa. Tällaisia tilanteita ovat esimerkiksi kun puhdistusta ei tarvita, järjestelmässä on häiriö tai koekäyttö- ja testaustilanteet. Sekundääripiirin yksinkertaistettu virtauskaavio lauhduttimilta korkeapaineturbiineille on esitettynä kuvassa 8. LO1:n ja LO2:n RE-laitokset eivät ole identtisiä keskenään ja nämä eroavaisuudet on esitelty kappaleissa 2.3.1 ja 2.3.2.
(Leino, 2019) Taulukossa VI on esitettynä puhdistetun lauhteen laatua kuvaavat pitoisuudet.
Kuva 8 Loviisan ydinvoimalaitosten sekundääripiirien yksinkertaistettu virtauskaavio.
Taulukko VI Loviisa 1 ja Loviisa 2 laitosten päälauhteen mitoitusanalyysi ja puhdistetun lauhteen laatua kuvaavat pitoisuudet normaaliolosuhteissa ja maksimiolosuhteissa.
Normaaliolosuhteissa lauhdutin vuoto on laskettu olevan 0,001 %.
Maksimiolosuhteissa Loviisa 1:llä lauhdutinvuoto on laskettu olevan 14 kg/s merivettä ja Loviisa 2:lla lauhdutinvuodoksi on laskettu 1,85 %. (Leino, 2019)
LO1 LO2
Normaali- olosuhteet
Maksimi- olosuhteet
Normaali- olosuhteet
Maksimi- olosuhteet Anionit
HCO3 [mg/l] 0,001 6,00 0,0005 1,90
Cl [mg/l] 0,036 220,00 0,036 64,00
SO4 [mg/l] 0,005 27,00 0,005 9,10
Kationit
Ca [mg/l] 0,0007 4,00 0,0007 1,30
Mg [mg/l] 0,002 6,00 0,002 3,70
Na+K [mg/l] 0,02 140,00 0,02 39,20
2.3.1 LO1 päälauhteen puhdistuslaitos
LO1:n RE-järjestelmä on mitoitettu siten että tulevan lauhteen virtaus on normaalisti 235 kg/s/turbiini ja maksimivirtaus on 285 kg/s/turbiini. Lauhteen lämpötilan maksimi on 40 °C ja painemaksimi 29,4 bar. LO1:n molemmille turbiineille on omat erilliset, keskenään identtiset puhdistuslaitokset (Sonninen, 2013). Puhdistuslaitokset koostuvat kahdesta 1,6 m3:n mekaanisesta suodattimesta ja neljästä 18,6 m3:n sekaioninvaihtimesta. Mekaanisten suodattimien suodatinelementit erottavat vedestä yli 4,5 µm kokoiset hiukkaset.
Sekaioninvaihtimilla erotetaan ionimuotoiset epäpuhtaudet siten että lauhteen sähkönjohtavuus pysyy alle 0,5 µS/cm. Kunkin sekaioninvaihtimen kapasiteetti on 77 kg/s lauhdevettä ja pystyy käsittelemään 85 000 tonnia lauhdevettä elvytysten välillä. Normaalikäytössä sekaioninvaihtimia ei käytetä, vaan lauhdevesi puhdistetaan ainoastaan mekaanisilla suodattimilla. Sekaioninvaihtimet kytkeytyvät automaattisesti päälle, mikäli suora johtokyky kasvaa yli 20 µS/cm:n.
Sekaioninvaihtimia käytettäessä kolme on toiminnassa samanaikaisesti ja neljäs vaihdin on varalla valmiiksi elvytettynä. Ioninvaihto tapahtuu mekaanisen suodatuksen jälkeen. LO1:n päälauhteenpuhdistuslaitos on käsikäyttöinen. (Leino, 2019) LO1 päälauhteenpuhdistuslaitoksen yksinkertaistettu virtauskaavio on esitettynä kuvassa 9.
Kuva 9 LO1 päälauhteen puhdistuslaitoksen yksinkertaistettu virtauskaavio (Fortum Power and Heat Oy, 2019a).
2.3.2 LO2 päälauhteen puhdistuslaitos
LO2:n RE-järjestelmä on mitoitettu siten että tulevan lauhteen virtaus on normaalisti 235 kg/s/turbiini ja maksimivirtaus on 285 kg/s/turbiini. Lauhteen lämpötilan maksimi on 40 °C ja painemaksimi 30 bar. LO2:n päälauhteenpuhdistuslaitos on yhteinen molemmille turbiineille (Sonninen, 2013).
Molemmille turbiineille on oma mekaaninen suodatin sekä sekaioninvaihdin, joiden lisäksi on varalla yksi mekaaninen suodatin ja sekaioninvaihdin, joita voidaan käyttää kummalla tahansa turbiineista. Mekaaniset suodattimet ovat tilavuudeltaan 1,6 m3 ja sekaioninvaihtimet 19,2 m3. Normaalikäytössä kaksi mekaanista suodatinta on käytössä eikä sekaioninvaihtimia käytetä. Mikäli suora johtokyky nousee selvästi normaaliarvosta, joka on noin 11 µS/cm, puhdistetaan lauhdevirta sekavaihtimella ennen mekaanista suodatusta. Sekaioninvaihto kytkeytyy automaattisesti käyntiin suoran johtokyvyn noustessa yli 20 µS/cm:n.
Sekaioninvaihtimista kahta pidetään käytössä ja kolmas vaihdin on varalla valmiiksi elvytettynä. Ioninvaihtokapasiteetti on 2500 val/elvytysväli/vaihdin.
LO2:n päälauhteenpuhdistuslaitos on puoliautomaattinen. (Leino, 2019) LO2 päälauhteenpuhdistuslaitoksen yksinkertaistettu virtauskaavio on esitettynä kuvassa 10.
Kuva 10 LO2 päälauhteen puhdistuslaitoksen yksinkertaistettu virtauskaavio. Puhdistukseen menevät virrat on merkitty punaisella.
Vihreällä on merkitty puhdistuksesta tulevat sekä takaisin prosessiin menevät virrat. (Fortum Power and Heat Oy, 2019b)
Höyrystimien ulospuhallusjärjestelmän (RY) suodatus.
Höyrystimien ulospuhallusjärjestelmällä huolehditaan, että höyrystimien sekundääripuolella vedenlaatu pysyy riittävän hyvänä. Veden höyrystyessä konsentroituvat epäpuhtaudet poistetaan höyrystimien ulospuhalluksella. Poisto voidaan tehdä joko jatkuvatoimisella tai jaksottaisella ulospuhalluksella.
Jatkuvatoimisessa ulospuhalluksessa poistomäärä on 2 – 3 kg/s yhdestä höyrystimestä kerrallaan ja jaksottaisessa ulospuhalluksessa 5 – 6 kg/s. (Ventelä, 2013) Jatkuvatoimisella ulospuhalluksella huolehditaan, että höyrystimien suola- ja kloridipitoisuudet ovat sallituissa rajoissa. Jaksottaisella ulospuhalluksella voidaan poistaa höyrystinkohtaisesti pohjalle muodostunutta sakkaa ja muita suurempia
epäpuhtauksia. RY-suodatuslaitoksen tehtävä on puhdistaa tätä vesivirtausta, ennen sen palauttamista prosessiin tai poistamista mereen. Suodatuslinjoja on kaksi, jotka ovat identtisiä keskenään. Suodatuslinjat koostuvat mekaanisesta suodattimesta, kationin- ja anioninvaihtimesta sekä hartsiloukusta. (Teräsvirta, 2012) Mekaaniset suodattimet RY31/32N01 sekä ioninvaihtimet RY31/32N02 ja N03 ovat tilavuudeltaan 2 m3 ja hartsiloukut RY31/32N04 ovat tilavuudeltaan 0,34 m3. Mekaanisissa suodattimissa ja kationinvaihtimissa käytetään tällä hetkellä Purolite NRW 100 (H+) hartsia, joka on 35 – 65 %:n vahvuista polystyreeni-sulfonihappoa (Purolite corporation). Anioninvaihtimessa käytetään tällä hetkellä Purolite NRW 400 (OH-) hartsia, joka on 18 – 47 %:n vahvuista kvartinääristä ammoniumstyreeni-divinyylibenteenikopolymeeria hydroksidi muodossa (Purolite corporation). (Leppänen, 2018)
Suodatuksen voi myös ohittaa osittain tai kokonaan esimerkiksi huoltotoimenpiteiden vuoksi. RY31 linjaa käytetään pääasiassa LO1 höyrystimien ulospuhalluksen puhdistukseen ja RY32 linjaa LO2 höyrystimien ulospuhalluksen puhdistamiseen. Linjojen ristikäyttö on kuitenkin myös mahdollista. Laitoksella voidaan puhdistaa myös TF-järjestelmän vettä. (Teräsvirta, 2012) Suodatuslaitoksen tuottaman veden ohjearvot ovat esitettynä taulukossa VII.
RY31/32 suodatusjärjestelmä on esitettynä kuvassa 11.
Taulukko VII Loviisan voimalaitoksella käytettävät ohjearvot RY- suodatuslaitoksen puhdistamalle vedelle tehokäytöllä. M natriumionin kohdalla tarkoittaa ”Määritetään” eli ohjeellista vakio arvoa ei ole. (Koivunen, 2019)
Mitattava arvo Ohjearvo
pH [25 °C] 5.5-8.0
Johtokyky [µS/cm] <1.0
Na+ [µg/l] M
Cl- [µg/l] <10
SO42- [µg/l] <10
F [µg/l] <10
Kuva 11 RY-suodatuslaitoksen yksinkertaistettu virtauskaavio (Fortum Power and Heat Oy, 2014)
3 HIILIPITOISUUS VEDESSÄ
Hiiltä esiintyy veden seassa eri muodoissa, kuten liuenneena hiilidioksidina ja suspensiona olevina humusaineina. Kokonaishiilipitoisuus (TC) ilmaisee näytteessä olevan hiilimäärän sen olomuodosta riippumatta. Kokonaishiilipitoisuus voidaan jakaa alaryhmiin kuten orgaaninen (TOC) ja epäorgaaninen hiili (TIC), tai liuennut (DOC) ja partikkelimuodossa (POC) oleva hiili. Nämä alaryhmät voidaan jakaa myös uusiin alaryhmiin. Kuvassa 12 on esitettynä yksi hiilen esiintymismuotojen ja määrittelyjen lohkokaavio.
Kuva 12 Hiilen jaottelu. Kuvassa on käytetty ensisijaisena jaotteluna kemiallista koostumusta ja toissijaisena esiintymisfaasia.
Orgaaninen hiili
TOC (Total Organic Carbon) tarkoittaa aineseoksesta löytyvän hiilen määrää orgaanisissa yhdisteissä. TOC on VOC ja NPOC yhdisteiden summa. TOC-arvo on yksi tärkeimmistä parametreista, joita käytetään mittaamaan veden laatua (Thomas;ym., 1999). Se ilmaisee kaikkien orgaanisten yhdisteiden, haihtuvien ja haihtumattomien, määrän vedessä. Suomessa TOC:n keskipitoisuus järvissä on 8,5 mg/l sekä joissa ja puroissa 14 mg/l. Arvot kuitenkin vaihtelevat välillä 2 mg/l – 50 mg/l eli vaihtelu on hyvin suurta (Räike, 2015). TOC voi olla peräisin luonnollisista lähteistä (NOM) kuten maatuvasta kasvillisuudesta, bakteerien kasvusta, eliöiden metabolisista toiminnoista (Bisutti;ym., 2004) tai synteettisistä lähteistä kuten lannoitteista ja muista kemikaaleista. NOM luokitellaan kompleksiseksi seokseksi orgaanisia aineita, jotka voidaan jaotella kolmeen pääryhmään, joita ovat
humushapot, fulvohapot sekä humiinit. Juomaveden desinfioinnissa käytettävä vapaa kloori voi reagoida vedessä olevan NOMin kanssa, muodostaen monia eri sivutuotteita. Näistä sivutuotteista käytetään lyhennettä DBP, joka tulee englanninkielen sanoista disinfection byproducts. Näiden sivutuotteiden kaksi pääryhmää ovat trihalometaanit (THM) ja haloetikkahapot (HAA), joista trihalometaanien pitoisuudelle talousvedessä on asetettu enimmäisarvoksi 100 µg/l (Valvira, Sosiaali- ja terveysalan lupa- ja valvontavirasto, 2018).
Haloetikkahappojen pitoisuudelle ei ole Suomessa asetettu raja-arvoa, mutta esimerkiksi Yhdysvalloissa niiden pitoisuudelle on asetettu raja-arvoksi 60 µg/l.
TOC sisältö prosessivedessä voi aiheuttaa prosessissa monia ongelmia. Se voi muun muassa vaikuttaa kationiseen sähkönjohtavuuteen ja aiheuttaa korroosiota prosessikomponentteihin hajotessaan. Ydinvoimalaitoksen prosesseissa orgaaniset yhdisteet voivat hajota radiolyysin tai termisen hajoamisen seurauksena.
Hajoamisessa voi muodostua prosessille haitallisia happoja ja radikaaleja.
3.1.1 Haihtuvat orgaaniset yhdisteet
Haihtuvilla orgaanisilla yhdisteillä tarkoitetaan aineita, joiden kiehumispiste normaali-ilmanpaineessa on maksimissaan 250 °C (Finlex, 2005). Haihtuviin orgaanisiin yhdisteisiin kuuluu ihmisen valmistamia aineita kuin myös luonnollista alkuperää olevia yhdisteitä. Näiden aineiden sisältämää hiilen määrää kutsutaan haihtuvan hiilen määräksi (VOC). Haihtuvat orgaaniset yhdisteet esiintyvät vedessä siihen liuenneena.
3.1.2 Haihtumattomat orgaaniset yhdisteet
Haihtumattomat orgaaniset aineet ovat orgaanisia aineita, joita ei luokitella kappaleessa 3.1.1 esitettyihin aineisiin. Hapotuksen ja kuplituksen avulla näytteestä voidaan poistaa epäorgaaninen hiili ja haihtuvat orgaaniset aineet. Jäljelle jääviä orgaanisia aineita kutsutaan haihtumattomiksi orgaanisiksi aineiksi, joiden sisältämää hiilen määrää kutsutaan haihtumattomaksi orgaanisen hiilen määräksi (NPOC). Haihtumattomia orgaanisia aineita voi esiintyä liuenneessa (NPDOC) sekä partikkelimaisessa muodossa (POC). Partikkelimaisiksi aineiksi luokitellaan 0,45 µm suodattimen läpäisemättömät partikkelit (Kumar;ym., 2014).
Epäorgaaninen hiili
Maaperässä epäorgaanista hiiltä esiintyy mineraaleina partikkelimaisessa muodossa (PIC). Vesissä epäorgaanista hiiltä esiintyy myös liuenneena (DIC) hiilidioksidina CO2, karbonaattina CO32-, bikarbonaattina HCO3- ja hiilihappona H2CO3 (Zeebe;ym., 2001) (Su;ym., 2019). Epäorgaanisen hiilen määrä (TIC) tarkoittaa liuenneiden ja partikkelimaisten yhteensä sisältämää hiilen määrää.
Epäorgaanisen hiilen tarkka mittaaminen ultrapuhtaasta vedestä on erittäin hankalaa, sillä näytteeseen liukenee helposti ympäröivästä ilmasta hiilidioksidia, mikä vääristää tulosta. Kuvassa 13 on esitettynä epäorgaanisen hiilen esiintymismuoto vedessä riippuen sen pH:sta. Tämän vuoksi NPOC analyysiä tehdessä liuoksen pH:n tulee olla noin 2,5, jotta kaikki epäorgaaninen hiili saadaan poistettua hiilidioksidina kuplituksen yhteydessä.
Kuva 13 Epäorgaanisen hiilen esiintymismuodon riippuvaisuus pH:sta yhden baarin paineessa. Kuva muokattu lähteestä (Menke, 2016).
4 VEDEN PUHDISTUSMENETELMIÄ
Veden puhdistukseen on valtava määrä erilaisia menetelmiä, joista voidaan valita sopivat teknologiat tarvittavan lopputuloksen saavuttamiseksi. Osa menetelmistä on hyvinkin vanhoja keksintöjä, kuten esimerkiksi hiekkasuodatus, kun taas osa on huomattavasti modernimpia, kuten membraanisuodatus. Jokaisella metodilla on omat hyödyt ja haittansa sekä käyttökohteensa, joihin ne soveltuvat parhaiten.
Kuvassa 14 on esitettynä eri metodeja, jotka soveltuvat orgaanisen hiilen vähentämiseen käsiteltävästä vedestä.
Kuva 14 Menetelmiä orgaanisen hiilen poistamiseen jaoteltuna mekanismin perusteella, joiden alle on eriteltynä eri tekniikoita. (Levchuk;ym., 2018)
Tällä hetkellä laitoksen vedenpuhdistusprosesseissa on käytössä koagulaatio, flokkaus, flotaatio, adsorptio, mekaaninen suodatus ja ioninvaihto. Uutena teknologiana prosesseihin tutkittiin käänteisosmoosisuodatusta. Tässä kappaleessa on esiteltynä työn kannalta olennaisimmat puhdistusmenetelmät toimintamekanismeineen.
Koagulaatio ja flokkaus
Koagulointi ja flokkaus ovat molemmat aggregaatiota, jota tapahtuu, kun sooli on kolloidisesti epävakaa. Aggregaatio on prosessi, jossa partikkelit muodostavat kasaantumia, joita kutsutaan aggregaateiksi.
Koagulaatio on fysikokemiallinen prosessi, jossa suspension hiukkasten varauksen neutralisoinnin avulla hiukkaset saadaan kerääntymään isommiksi kasaantumiksi.
Suspension kiintoaines omaa yleensä pintavarauksen, joka aiheuttaa hiukkasten välille hylkimisvoiman. Pintavaraus on usein riippuvainen pH:sta, korkeilla pH arvoilla kolloidit omaavat negatiivisen pintavarauksen, kun taas matalilla pH arvoilla kolloidit ovat positiivisesti varautuneita. Isoelektrisessä pisteessä kolloidien pintavaraus on neutraali. Kun varauksesta johtuvaa voimaa ei enää ole neutralisoinnin jälkeen, alkavat hiukkaset kasaantua mikroflokeiksi van der Waalsin voimien ansiosta. Hiukkasten varauksen neutralisointi voidaan tehdä joko kemikaaleilla, kuten ferrisulfaatilla tai polyalumiinikloridilla, tai sähköisesti eli elektrokoaguloinnilla. Molemmissa tapauksissa neutralointi tapahtuu lisäämällä liuokseen vastakkaisen varauksen omaavia ioneja. (Shammas, 2005) Kemikaaleja lisätessä tämä tapahtuu lisätyn aineen hajotessa ja sähköisessä prosessissa koagulantti tuotetaan sopivan anodi- tai katodimateriaalin elektronisella hapetuksella.
Flokkauksessa pyritään myös muodostamaan pienistä hiukkasista suurempia kasaantumia, mutta mekanismi on täysin mekaaninen perustuen sekoitustekniikkaan. Flokkauksessa pyritään lisäämään epästabiilien hiukkasten yhteentörmäyksiä, tämä tapahtuu hyvin hitaalla sekoituksella, jotta partikkelit ja aggregaatit pysyvät liikkeessä, mutta eivät hajoa muodostaen taas uusia pienempiä aggregaatteja. Yhdistämällä koagulointi ja flokkaus saadaan aikaiseksi tarpeeksi isoja hiukkaskasaantumia lisäkäsittelyä varten. (Shammas, 2005)
Näitä menetelmiä hyödynnetään prosessiveden valmistuksessa UC-laitoksella flotaatioselkeytyksen mahdollistamiseksi. Koagulointi suoritetaan reaktio- ja pikasekoitussäiliössä ja flokkaus ennen flotaatioselkeytystä flokkausaltaissa.
Floataatio
Flotaatio on laajalti käytetty, halpa erotusmenetelmä vedenpuhdistuksessa.
Menetelmä perustuu epäpuhtauksien hydrofobisiin ja hydrofiilisiin ominaisuuksiin (Wang;ym., 2016). Puhdistettavaan nesteeseen syötetään kaasua, jonka muodostamiin kupliin hydrofobiset epäpuhtaudet tarttuvat ja nousevat pintaa, kun hydrofiiliset aineet jäävät nesteeseen. (Prakash;ym., 2018) Pinnalle kerääntynyt vaahto voidaan poistaa kaapimalla. Raskaammat hydrofiiliset partikkelit painuvat pohjalle ja ne voidaan poistaa pohjalietteenä, tätä kutsutaan sedimentoinniksi.
Perinteinen flotaatio toimii kuitenkin tehokkaasti vain tietyn suuruusluokan partikkeleille. Flotaatio toimii tehokkaasti hiilipartikkeleille, jotka ovat suuruusluokkaa 50 – 600 µm ja mineraaleille, joiden partikkeleiden suuruusluokka on 10 – 100 µm. (Sobhy;ym., 2013) Flotaatiota käytetään tällä hetkellä osana UC- laitoksen vedenpuhdistusprosessia.
Adsorptio
Adsorptio on yksi tärkeimpiä käytössä olevia erotustekniikoita. Adsorptiossa aine konsentroituu adsorbentin pintaan, toisin kuin absorptiossa, jossa erotettavat molekyylit tunkeutuvat absorbentin sisään. (Worch, 2012) Adsorptioprosessi voidaan luokitella kiinnittymismekanismin perusteella fysikaalinen adsorptioon ja kemisorptioon. Mikäli adsorptiossa ioni adsorboituu aiheuttaen vastaavan määrän ionin desorptiota, prosessia kutsutaan ioninvaihdoksi. Ioninvaihtoa käsitellään tarkemmin kappaleessa 4.5. Adsorptio voidaan jaotella myös erotusmekanismin perusteella, joita ovat steerinen, kineettinen ja tasapaino ilmiö (Yang, 2003).
Fysikaalinen adsorptio on yleinen ilmiö, jota tapahtuu missä tahansa kiintoaine–
neste ja kiintoaine–kaasu systeemeissä. Aineiden sähköinen rakenne pysyy lähes muuttumattomana tässä ilmiössä. (Koopal, 2001) Fysikaalista adsorptiota tapahtuu van der Waalsin voimien vaikutuksesta (Worch, 2012) ja partikkelit voivat muodostaa useamman kerroksen adsorbentin pinnalle. Tätä ilmiötä kutsutaan monikerrosadsorptioksi, joka on esitettynä kuvassa 15. (Koopal, 2001)
Kemisorptio perustuu vahvoihin vuorovaikutuksiin adsorbentin pinnan ja adsorbaatin välillä (Worch, 2012). Tällaisia vuorovaikutuksia ovat vety- ja ionisidokset sekä kovalenttiset sidokset (Ballantine;ym., 1997). Kemisorptiolle
ominaista on sen kemiallinen spesifisyys, sähköisen rakenteen muuttuminen ja mahdollinen kemiallisen luonteen muuttuminen. Kemisorptiossa voi muodostua vain yksi kerros adsorboituneita partikkeleita, sillä adsorboituneet partikkelit ovat kiinnittyneet adsorbentin pintaan valenssisidoksin täyttäen sitoutumispaikkoja.
Tämä mekanismi on havainnollistettu kuvassa 15. (Koopal, 2001).
Kuva 15 Fysikaalisen adsorption, kemisorption ja absorption eroavaisuus kuvattuna.
Kemisorption sidosenergiat ovat suuremmat kuin fysikaalisen adsorption sidosenergiat. Kemisorption sidosenergiat ovat yleensä 1 – 10 eV kun puolestaan fysikaalisessa adsorptiossa energiat ovat yleensä 0,01 – 0,1 eV. Eräänä raja-arvona näiden adsorptioiden välillä voidaan pitää 0,5 eV sidosenergiaa (Worch, 2012).
Adsorptiota hyödynnetään tällä hetkellä laitoksella esimerkiksi UC-laitoksella hiekkasuodatuksessa, jossa adsorptio on yksi erotusmekanismi.
4.3.1 Aktiivihiili
Aktiivihiili on vedenkäsittelyssä yleisesti käytetty adsorbentti. Se soveltuu hyvin orgaanisten aineiden poistoon vedestä ja sitä voidaan käyttää moniin puhdistustarpeisiin, kuten juomaveden valmistukseen tai jätevedenkäsittelyyn.
Alun perin aktiivihiiltä on käytetty orgaanisten aineiden poistoon, jotka aiheuttavat veden pahan maun ja hajun. Nykyään aktiivihiiltä käytetään myös monien muiden haitallisten orgaanisten aineiden, kuten fenolien ja orgaanisten klooriyhdisteiden,
poistoon. (Worch, 2012) Kloorin poistolla voidaan myös pidentää ioninvaihtohartsien käyttöikää, sillä kloori voi vahingoittaa hartsia. Raemainen aktiivihiili on yksi parhaimpia menetelmiä poistaa NOM aineita vedestä (Al- Naseri;ym., 2009).
Suodatus
Tässä yhteydessä suodatuksesta puhutaan yhtenäisenä prosessina siivilöinnin kanssa, jossa erotus perustuu partikkelien kokojakaumaan. Suodatus on erotusprosessi, jossa fluidista erotetaan partikkeleita fyysisten ja kemiallisten ominaisuuksien perusteella. Suodatusmateriaalit jakautuvat kahteen pääryhmään, pintasuodattimet ja kerrossuodattimiin. Ensimmäisestä esimerkkinä ovat suodatinpaperi ja membraanisuodattimet, joissa erotettava materiaali jää suodatinmateriaalin pinnalle. Jälkimmäisestä esimerkkinä on UC-laitoksellakin käytössä oleva hiekkasuodatin, jossa erotettavat aineet jäävät suodatinmateriaaliin koko suodatinmateriaalin syvyydellä. Suodatusta hyödynnetään muuallakin laitoksen vedenpuhdistusprosesseissa mekaanisissa suodattimissa.
4.4.1 Käänteisosmoosi
Käänteisosmoosi on membraanisuodatuksen tekniikka. Käänteisosmoosissa puoliläpäisevän kalvon läpi työnnetään vettä paineella, joka ylittää osmoottisen paineen. Normaalisti vesi virtaa puoliläpäisevän kalvon läpi pienemmän konsentraation omaavalta puolelta suuremman konsentraation omaavalle puolelle, jotta systeemi saavuttaisi tasapainon eli molempien puolien konsentraatio olisi sama. Osmoottisen paineen ylittävä paine kääntää tämän prosessi päinvastaiseksi, jolloin vesi saadaan virtaamaan suuremmasta konsentraatiosta pienempään, tämän vuoksi tekniikan nimi on käänteisosmoosi. (Howe;ym., 2012) Kuvassa 16 on esitettynä minkä kokoluokan partikkeleita eri suodatustekniikat kykenevät poistamaan, kuvassa on myös esitettynä esimerkkejä eri kokoluokan partikkeleista.
Kuva 16 Eri suodatustekniikoiden suodatuskokovälejä ja havainnollistavia esimerkkejä eri kokoluokista. Kuva muokattu lähteistä (Pileggi, 2016), (Clark;ym., 2012) ja (International Organization for Standardization, ISO, 2017).
Käänteisosmoosilla voidaan poistaa käsiteltävästä vedestä orgaanisten hiiliyhdisteiden lisäksi myös ioneja. Tämän vuoksi käänteisosmoosi on hyvin varteenotettava tekniikka mahdollisimman puhtaan veden tuottamiseen.
Ioninvaihto
Ioninvaihto on laajasti käytetty vedenpuhdistusmenetelmä erilaisten ei-toivottujen ionisten epäpuhtauksien poistamiseen. Ioninvaihto voidaan määritellä olevan nimensä mukaisesti ioninvaihto prosessi liuokseen liukenemattoman kiinteän faasin ja liuosfaasin välillä, mikä on reversiibeli. Kaavassa (1) on esitettynä anioninvaihtimien ioninvaihtoreaktio. Kationinvaihtimissa reaktio on sama, mutta kaikkien komponenttien varaus on päinvastainen.
